智能变电站就地智能设备电磁兼容抗扰度实验分析

嵇建飞 袁宇波 庞福滨

（江苏省电力公司电力科学研究院 南京 211100）

1 引言

采用分散式布置时，变电站内的二次智能设备受电磁骚扰影响较小，通常能够正常工作。而随着智能变电站的建设发展，二次智能设备就地布置成为趋势，二次智能设备因受电磁骚扰而导致工作异常的情况屡有发生[1,2]。2011年，由于罗氏线圈电子式互感器受到开关及刀闸操作产生的干扰导致波形异常，国家电网公司基建部58号补充文件规定：在电子式互感器未完善前，新建变电站一律采用常规互感器配以合并单元实现模拟量就地数字化转换，利用光纤上传，提高其可靠性。变电站二次智能设备在出厂前都要进行电磁发射与抗扰度试验评估，评估合格才能使用。我国的电磁兼容抗扰度试验标准为GB/T17626，这个标准等同于IEC61000-4标准。

为了考察变电站中就地汇控柜智能组件端口电磁骚扰的特性和现行电磁兼容实验标准的适用性，本文测录了某110kV GIS和500kV GIS智能变电站断路器和隔离开关操作在就地汇控柜CT（Current Transformer，电流互感器）端口产生的骚扰电压，分析了骚扰信号的幅度和时频特性。开展就地汇控柜智能组件电磁兼容实验，在结合电磁兼容实验结果和骚扰信号幅频和时频特性的基础上，分析了国内现行电磁兼容抗扰度试验标准的适用性，特别研究了IEC61000-4-18阻尼振荡波试验标准与实测波形的对应情况，最后对提高就地布置二次智能设备的电磁兼容性能提出了一些建议。

2 智能组件电磁兼容试验

某110kV变电站一次接线图如图1所示。该变电站使用GIS（Gas Insulated Switchgear，六氟化硫封闭式组合电器）组合电器，智能组件就地安装于汇控柜内，采用常规互感器。某日启动运行中发现，在合上隔离开关时，就地汇控柜内智能组件出现重启现象。发生异常情况以后，对该110kV智能变电站进行了排查处理，处理流程如图2所示。由图可见，拉合隔离开关时产生的电磁干扰通过CT二次回路耦合到直流电源是智能组件发生重启的重要原因，将接入智能组件的CT二次线与直流电源二次线分开之后（见图3），虽然智能组件不再重启，但是丢点现象依然存在。

图1 某110kV智能变电站一次接线图Fig.1 The primary electric wiring diagram of the 110kV intelligent substation

图2 某110kV智能变电站异常情况处理流程Fig.2 The processing flow of one 110kV intelligent substation

图3 CT二次线和直流电源线Fig.3 The secondary side cables of CT and DC power cables

由于智能组件丢点现象依然存在，因此对智能组件重新进行了电磁兼容相关实验（图4，图5）。首先对合并单元的电源量、开入量、模拟量回路施加IEC61000-4-4标准规定的IV级严酷等级试验（电快速瞬变脉冲：4kV、5KHz/100KHz，浪涌波形：4kV，8/20us），装置运行正常，没有出现丢点现象。提高试验等级，在进行电快速瞬变抗干扰试验时，对装置电源、开入、模拟量输入回路施加远高于四级（4.5kV以上、100KHz）干扰波形，装置运行正常、但偶尔会出现丢点现象；在进行浪涌试验时，对装置电源、开入、模拟量输入回路施加远高于四级（4.4kV，8/20us）浪涌波形，装置运行正常、未出现丢点现象。

图4 电快速瞬变脉冲群抗扰度测试图Fig.4 EFTB(Electrical fast transient/burst)experiment

图5 浪涌抗扰度测试图Fig.5 Surge experiment

由于在进行非常规实验时，合并单元出现丢点现象，因此对合并单元进行了整改措施，整改措施如下:

1)原设计采用双DSP插件实现MU功能，DSP插件之间经过总线背板实现内部通信，新设计将双DSP模块集成到一块插件上，取消经过总线背板的通信方式，此改进可以进一步提高装置的抗干扰能力；

2)机箱加工采用全导电加工方式，机箱各部分之间电气连接更加可靠，提高机箱的完整性，从而提高装置的整体抗电磁骚扰性能；

在改进合并单元机箱结构，改善箱体整体导电性能、并改进分板连接方式后，重新进行实验，装置运行正常、无丢点现象出现，抗干扰性能进一步提高；新装置在电快速瞬变干扰实验中，能够确保在4.4kV/100KHz情况下，无丢点现象。

3 测录电磁暂态信号

图6 测录电磁暂态骚扰信号Fig.6 Recording electrogmetic transient disturbance signal

图6是测录电磁暂态骚扰信号的示意图和实物图。电磁暂态骚扰信号测录系统由示波器，高压探头组成[3][4]。示波器和高压探头主要性能如表1所示。智能组件安装于就地汇控柜，铜排(接地网)位于汇控柜内底部，智能组件接地点位于其右下角。测录地点选择在就地汇控柜，智能组件安装于就地汇控柜，CT二次线缆，直流电源线引到就地汇控柜内部的端子排上。

3.单通道最大存储深度：256Mpts/ch 4.最大采样速度：120GS/s

3.1 某110kV变电站

图7 110kV GIS变电站隔离开关操作时，测得的电磁暂态骚扰时域波形Fig.7 Whenthedisconectorsoperated，the electromagnetic transientdisturbance time-domain waveform of every channel

图7是110kV GIS变电站隔离开关操作时，测得的电磁暂态骚扰时域波形。隔离开关操作速度慢，产生多次电弧击穿和重击穿，隔离开关操作在二次设备端口产生数十次脉冲，电压信号的波形比较接近，电流信号的波形也比较接近，有些差别是由于一次母线的瞬态电流波和电压波耦合进各测量端口的路径不同[5-8]。直流电源（差模干扰）通道骚扰信号最大峰峰值为300V，直流电源正对地（共模干扰）通道骚扰信号最大峰峰值为700V，CT二次侧A相对地骚扰信号电压峰峰值为1000V，CT二次侧A相电流通道骚扰信号峰峰值为200V，合并单元地线对铜排的骚扰信号电压峰峰值为3000V。

图8 110kV GIS变电站隔离开关操作时，测得的电磁暂态骚扰频谱Fig.8 When the disconectors operated,the electromagnetic transient disturbance frequency-domain waveform of every channel

图8是不同通道测得的电磁暂态骚扰信号频谱图。从频谱图上可以看出，不同电压通道的频谱图比较相似。隔离开关操作产生的电磁骚扰主要集中在高频段，且在625Hz，4kHz，48kHZ，200kHz，600kHz，30MHz附近频谱出现峰值。

3.2 某500kV变电站

图9 5041开关投切5622线试验前接线方式Fig.9 The primary electric wiring diagram of the 500kV intelligent substation before the 5041 breaker switching to 5622 line

某500kV GIS变电站，采用3/2接线方式，配置两台主变，四条出线。5041断路器投切5622线试验前接线方式如图9所示。在5041断路器投切5622线时，测录断路器操作产生的电磁暂态骚扰信号。5041、5042断路器热备用状态，1号主变，2号主变运行状态。

图10 5041断路器操作时，测录的各通道电磁暂态骚扰信号时域波形Fig.10 When operating the 5041 breaker,the electromagnetic transient disturbance time-domain waveform of every channel

当5041断路器操作时，测得的DC直流电源通道，CT二次侧A相电流通道，CT二次侧A相电压通道，VT二次侧A相电压通道的电磁暂态骚扰信号如图10所示。从图中可以看出，直流电源（差模干扰）通道骚扰信号最大峰峰值约为2000V，CT二次侧A相电流通道骚扰信号峰峰值约为1300A，CT二次侧A相电压通道骚扰信号峰峰值约为3700V，VT二次侧电压通道骚扰信号峰峰值约为4700V。

前面分析了断路器操作产生的电磁暂态骚扰时域波形特征。通常傅里叶变换可以用来分析信号的频谱特性，但是傅里叶变换只提供了有哪些频率成份的信息，却没有提供时间信息。短时傅里叶变换（STFT，short-time Fourier transform）可以同时提供信号的频率和时间信息。

图11 5023开关操作时，测录的各通道电磁暂态骚扰信号时频谱图Fig.11 When operating the 5023 breaker,thetime-frequency spectrum of the electromagnetic transient disturbance

图11是5041开关操作时，测录的各通道电磁暂态骚扰信号时频谱图。图中横坐标代表信号频率，纵坐标代表信号持续时间，填充颜色代表信号的功率谱强度从时频谱图上可以看出CT二次侧A相电压通道，VT二次侧A相电压通道的电磁暂态骚扰信号的时频谱图比较相似。在开关操作后的1us内，波形较强，频率主要分布在0Hz至40MHz。直流电源通道的电磁暂态骚扰信号频率主要分布在20MHz至150MHz。对于CT二次侧A相电流通道，连续间断出现若干串较强的脉冲，脉冲频率从0Hz到20MHz。

4 实测波形与现有标准对比

图12电快速瞬变和浪涌(冲击)信号单个脉冲典型波形Fig.12 The single typical plus waveform of electrical fast transient and surge(impact)signals

图12(a)是IEC61000-4-4标准规定的电快速瞬变信号单个脉冲典型波形[9][10][11]。典型的电快速瞬变信号是双指数脉冲，上升时间是5(1±30%)ns，持续时间是50(1±30%)ns，当负载为1000Ω时，输出最大开路电压峰值为4kV，测得电压峰值为4(1±20%)kV。

图12(b)是IEC61000-4-5标准规定的浪涌(冲击)信号单个脉冲典型波形，T1是波前时间，T2是半峰值时间[9][10][11]。浪涌波形发生器分为两种，对于连接到对称通信线的端口，应使用10/700us组合波发生器，波前时间T1为10(1±30%)us，半峰值时间为700(1±20%)us；对于连接到电源线和短距离信号互连线的端口，应使用1.2/50us组合波发生器，波前时间T1为1.2(1±30%)us，半峰值时间为50(1±20%)us。试验严酷等级分为IV个等级，当试验等级取最高第IV等级时，开路电压峰值为4(1±10%)kV。由前面的测录结果可知，智能组件地线骚扰信号峰峰值为4.6kV，此骚扰信号峰峰值大于IEC61000-4-4标准规定的IV级电快速瞬变脉冲峰值和IEC61000-4-5标准规定的IV级浪涌(冲击)信号峰值。

图13 阻尼振荡波形Fig.13 Damped oscillation waveform

而从实测的骚扰波形来看，开关操作产生的传导骚扰信号类似于阻尼振荡波（图13）。以前的阻尼振荡波标准针对AIS变电站开关操作，只包括100kHz和1MHz两个振荡频率的波形，与GIS变电站开关操作电磁骚扰波形的差别较大。近年更新的IEC61000-4-18阻尼振荡波试验标准新增了快阻尼振荡波，增加了3MHz、10MHz和30MHz三个振荡频率[12][13]。振铃波是单次冲击阻尼振荡波，振荡频率为100kHz，除开放等级外，试验等级分为4级，从低到高共模电压分别是0.5kV、1kV、2kV和4kV。断路器操作引起的瞬态骚扰一般也是1～3个阻尼振荡波，与振铃波具有可比性。阻尼振荡波是重复波形，振荡频率有100kHz和1MHz两种，重复率为100kHz时至少40次/s，1MHz至少400次/s，试验等级上，除开放等级和等级4未给定具体数值外，前3级的共模电压分别是0.5kV、1kV和2.5kV[11][12]。

开关操作引起的瞬态骚扰就是重复的阻尼振荡波，在试验幅值方面，110kV变电站和500kV变电站开关操作引起的骚扰信号峰值大于振荡波抗扰度试验标准规定的峰值；在试验频率方面，110kV变电站和500kV变电站开关操作引起的骚扰信号主频都在兆赫兹级，目前最新的IEC61000-4标准在阻尼振荡波抗扰度试验上已经新增了3MHz、10MHz和30MHz的振荡频率，因此建议国标也能增加相应的振荡频率[13]。

5 结论

本文测录了某110kV GIS变电站和500kV GIS变电站隔离开关和断路器操作在就地汇控柜CT端口产生的骚扰电压进行了测量，分析了电磁骚扰信号的幅值和时频特性。在结合智能变电站就地汇控柜智能组件电磁兼容实验和骚扰信号的幅值和时频特性的基础上，分析了国内现行的电磁兼容抗扰度试验标准的适用性，特别研究了IEC61000-4-18阻尼振荡波试验标准与实测波形的对应情况，结论及建议如下：

1.110kV GIS变电站隔离开关操作在就地汇控柜智能组件端口产生的电磁骚扰信号幅值主要集中在高频段，且不同通道测得的电磁骚扰信号在625Hz，4kHz，48kHZ，200kHz，600kHz，30MHz这几个频点附近都出现峰值，这一点应该引起重视。

2.110kV GIS变电站，500kV GIS变电站的隔离开关、断路器操作在就地汇控柜智能组件端口产生的暂态骚扰信号最大幅值已大于当前国内标准规定的最高严酷等级的电快速瞬变脉冲群抗扰度，浪涌抗扰度，阻尼振荡波抗扰度峰值，此外在试验频率方面，实测的骚扰信号能量主要集中在兆赫兹级频段，建议国内现行的电磁兼容试验标准也能增加相应的振荡频率。

3.智能组件PCB背板设计和机箱的整体导电性能对其抗电磁骚扰能力非常关键。智能组件机箱采用全导电方式加工，取消经过智能组件背板电路板的通信方式或者加强经过背板通信的抗干扰性能。

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